הקדמה למשטח קשיחות וקללות אור

(פסולי) (Fallowity), המוגדר כסטיות בסדרות בטופוגרפיה של פני השטח של החומר, משפיע עמוקות על האופן שבו אור אינטראקציה עם פני השטח הזה. in פיזי אופטיקה, היחסים בין מרקם פני השטח והתפזרות האור הם אבן הפינה של עיצוב וקידוד מערכות אופטיות.אפילו משטחים המופיעים במרחק של עדי ראייה מיקרוסקופיים, אשר יכולים לפזר אור בכיוונים מההשתקפות או נתיבי שידור ספקטרום של ספקטרום אופטי, כמו מהנדסי הדמיה:0, כמו מהנדסי לייזר, כמו:

ההשפעה של גסות פני השטח משתרעת מן הספקטרום הנראה לתוך טווח אינפרא אדום אולטרה סגול.לדוגמה, מראה באיכות גבוהה בשימוש בטלסקופ עשוי להיות שורש-mean-square (RMS) גסות של פחות מ 1 ננומטר, בעוד שמנה זכוכית קרקעית מדגימה תכונות אינפרא אדום בכוונה על סדר מיקרומטר.

פיזור אור מפני משטחים גסים אינו רק קצבה להיות ממזער באופטיקה מדויקת; הוא גם כלי. בחישה מרחוק ואבחונים רפואיים, ההפצה הזוויתית של אור מפוזרים נושאת מידע על מבנה פני השטח ואת הרכב subsurface. על ידי ניתוח תבניות פיזור, החוקרים יכולים להפר תכונות חומריות, לזהות פגמים או לאפיין בריאות.

יסודות של ריבועי קרקעי

כדי לכמת גסות פני השטח, כמה פרמטרים סטטיסטיים משמשים. הנפוץ ביותר הוא שורש-mean-square (RMS) גסות, ⁇ , שהוא סטייה סטנדרטית של גבהים משטח מן המטוס הממוצע. פרמטר חשוב נוסף הוא אורך התאומה, ⁇ , המתאר את המרחק המאוחר יותר שעליו תכונות פני השטח קשורות באופן סטטיסטי יחד, ⁇ ו ⁇ להגדיר את הספקטרום.

פני השטח מתוארים לעתים קרובות כבעל תפקוד צפיפות ספציפית של כוח ספקטרלי (PSD) אשר נותן את ההפצה של גסות amplitudes על פני תדרים מרחביים. PSD הוא שימושי במיוחד עבור חיזוי פיזור כי זה מתייחס ישירות להתפלגות זוויתית של אור מפוזר.עבור משטחים טבעיים ומהנדסים רבים, PSD עוקב אחר התנהגות של חוק בתדרים מרחביים גבוהים, כלומר כי בקנה מידה קטן יותר תורם לתכונות פחות רחבות.

פרמטרים אחרים כוללים את הסקראיות (סימטריה של חלוקת גובה) ו kurtosis (peakedness), אשר השפעה פיזור בכיוונים ספציפיים.לדוגמה, משטח עם skewness חיובי עשוי להיות פסגות חדה ועמקים רחבים, פיזור אור מעדיף באופן זמני לתוך זוויות מסוימות.הבנת פרמטרים אלה מאפשר מהנדסים לעצב משטחים עם תכונות מותאמות, כגון מראות נמוכים או מלוטשים מבוקרים.

גורמים המשפיעים על אור Scattering by Rough Surfaces

⁇ ⁇ ⁇

התמצית של אי סדירות פני השטח קובע ישירות את עוצמת האור מפוזר.בגבול שבו ⁇ הוא הרבה יותר קטן מאשר אורך הגל, פני השטח מתנהג כמדיום יעיל, ופיזור הוא חלש ובעיקר הכלול בכיוון הספקטרום. כמו עלייה ⁇ , יותר כוח מחולק מחדש לכיוונים לא-specular.הפיזור המשולב הכולל (TIS) הוא פרופורציה ( ⁇ / λ) עבור מערכת יחסים קטנה, החל מזווית יחסים קצרה, החל מזווית ראשונה.

אורך השחיתות ( ⁇ )

אורך הקורלציה שולט התפשטות זוויתית של אור מפוזר. A פני השטח עם אורך קורלציה ארוך (smooth איטי undulations) מתפזר אור בעיקר לתוך זוויות קרוב לכיוון הספקטרום, ומייצר כיכר צר.קונפל, אורך מתאם קצר (Sharp, מקרוב תכונות חלל) מייצר פיזור רחב.בקיצוני שבו הוא קטן יותר מהגל, את הדומה של משטחים מובילים למפגן חיצוני.

אור המאורע

אורך הגל מקנה את החוספס האפקטיבי. A פני השטח כי הוא גס באורכי גל גלוי (אומר, 500 nm) עשוי להופיע חלק 10 μm אינפרא אדום.זו הסיבה שאופטרה אינפרא אדום לעתים קרובות לסבול משטחים גסים יותר מאשר אופטיים גלויים.בנוסף, אורכי גל קצרים יותר הם רגישים יותר לפרטים בסדר, מה שהופך אופטיים אולטרה סגולים תובעניים מאוד במונחים של איכות.

Polarization and Angel of Incidence

פיזור אור מושפע גם ממצב הקיטוב ואת זווית האירוע.לדוגמה, אור מפונק בדרך כלל מתפזר פחות אור זעיר-קוטב בשכיחות כמעט-מרעה בשל השפעות שידור Fresnel. פיזור תיאוריות משלבות קיטוב באמצעות ניסוח ממטריקס מולר, המתאר כיצד הפרמטרים הסטיקס משתנים על השתקפות משטח גס.

קונסולות אופטיות

המדד המורכב של החומר קובע את התרומה היחסית של פיזור פני השטח מול פיזור גדול.עבור מתכת רפלקטיבי מאוד, רוב הפיזור מתרחש על פני השטח; עבור פיזור זעיר, תת-קרקעי למחצה יכול לשלוט.זה קריטי ביישומים כגון פגיעה בלייזר מודל סף, שבו משטח ומנגנוני הקליטה גדולים להתחרות.

מודלים תיאורטיים של אור Scattering ממשטחים קשוחים

Rayleigh-Rice Theory (Perturbation Theory)

(ב) , (ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

התיאוריה ריילי-ריס תקפה רק עבור מגברות קטנות יחסית לאורכי גל ולאורךי קורלציה בינוניים.זה חוזה שהעוצמה המפוזרים יורדת כמו ( ⁇ / λ)2 והוא טרופי עבור משטחים עם PSD אחיד.למרות המגבלות שלו, הוא מספק כלי אנליטי מהיר עבור פני הנדסה עם דרישות נמוכות.

תיאורית Beckmann-Kirchhoff (Physical Optics Approximation)

עבור משטחים גסים יותר שבו תיאוריית ההפוכה מתפרקת, התיאוריה של Beckmann-Kirchhoff (BK) מספקת גישה כללית יותר.זה מעריך את השדה המפוזר באמצעות מצב הגבול של קירצ'וף, בהנחה כי פני השטח שטוחים מקומית וכי השדה מפוזר ניתן להשוות בין היתר על ידי שילוב תרומות מכל נקודה.

מודל BK מניב ביטוי פשוט סגור לפיזור של חצי-סעיף אם התפלגות גובה פני השטח היא Gaussian ותפקוד הקורלציה היא גם Gaussian. עם זאת, משטחים אמיתיים לעתים קרובות יש סטטיסטיקות לא-Gaussian, הדורשות מודלים אנליטיים או משתנים.התוכנית BK משמשת בדרך כלל בחישה מרחוק ואוקיינוסים עבור פיזור משטחים קשים.

Finite-Difference Time-Domain (FDTD) ושיטות נומריות אחרות

כאשר סימולציות אנליטיות אינן מספיקות, סימולציות אלקטרומגנטיות מספריות מספקות תחזיות מדויקות.השיטה הסופית של זמן-דומיין (FDTD) פותרת את המשוואות של מקסוול ישירות על רשת המייצגת את פני השטח המחוספסים ואת המדיה הסובבת.זה יכול להתמודד עם פרופילי פני השטח השרירותיים שרירותיים, כולל גסות קיצונית, פיזור ואפקטים.

שיטות מספריות אחרות כוללות את ניתוח גלי גלי הזוגיות הקפדני (RCWA) עבור משטחים תקופתיים, שיטת אלמנט הגבול (BEM), ואת הגישה T-matrix.לכל אחד יש נקודות חוזק: RCWA יעיל עבור gratings; BEM מצטיין עבור ממשקים גבוהים-const.com תלוי בגאומטריה ובדיוק הנדרש.

שיטות מדידה ניסיוניות

גולגולת וגונומטריה

Scatterometers למדוד את ההפצה הזוויתית של אור מפוזר מדגימה. a לייזר beam מאיר את פני השטח, וגלאה (לעתים קרובות photodiode או CCD) מסתובב סביב הדגימה כדי ללכוד אינטנסיביות בזוויות שונות.האפקטים וכתוצאה מכך של הפונקציה הפצה דו-כי-כי-זמנית (BRDF) או הפונקציה הפצה שידור דו-כי-כי-כי-פי (BTDF) מתארתקפה של פני השטח.

אטומי כוח מיקרוסקופיה (AFM) ופרופ'למטריה

כדי לאפיין את פני השטח עצמו, מיקרוסקופיות כוח אטומי (AFM) מספק nanometer-resolution 3D ציטוגרפיה.פרומטריה אופטית משתמשת אור לבן כדי למדוד אזורים גדולים יותר עם דיוק אנכי תת-מטר. כלים אלה מספקים את הנתונים הגובה הדרוש כדי למקם PSD ופרמטרים כמו ⁇ ו ⁇ . Correlating AFM עם מדידות BRDF אימות מודלים תיאורטיים ומאפשרים פיזור בעיות על פני השטח.

מדדי ההרחבה המשולבים (TIS)

TIS היא מדידה פשוטה יותר אשר אוספת את כל האור מפוזר (לא כולל את הדבורה הספקטרום) ונרמל אותו לעוצמה המובאת הכוללת. עבור גסות קטנה, TIS ⁇ (4 ⁇ / λ)2, נותן הערכה מהירה של גסות RMS. ⁇ הם בשימוש נרחב בשליטה איכותית עבור מראות וחלונות אופטיים.

יישומים והשלכות

סורקים ומראות

בציפויים אופטיים מדויקים, גסות פני השטח גורמת פיזור לא רצוי המפחית את הניגודיות ואת דרך לוחצים.עבור מערכות לייזר בעוצמה גבוהה, פיזור יכול להוביל חימום מקומי ונזקים. על ידי צמצום החוספס באמצעות טכניקות ללטש מתקדמות (למשל, ion-beam Figing, מגנטיות לאחר סיום מגנטי), להשיג RMSlossness מתחת לרכיבים קריטיים, ציפויים עצמם מציגים לעתים קרובות מדגמי תצוגה נמוכים.

מערכות לייזר ו-Beam Quality

ב resonators לייזר ומערכות משלוח קרן, פיזור אופטיקה גסה מדרג את פרמטר איכות של beam M2. Scattered אור יכול גם ליצור אור משוטט להפריע גלאי רגישים.עבור תקשורת אופטית ללא מרחב חופשי, פיזור ממראות טלסקופ או חלונות מפחית יחס אותות-לא-אין-רעש.

פיקוח מרחוק וסביבתי

חישה מרחוק מבוססת לווין מסתמכת על פרשנות האור מפוזרת על פני השטח והאטמוספירה של כדור הארץ.המשטח של פני הים משפיע על מגבת מכ"ם, המאפשרת החזרה מהירה רוח. Vegetation canopies לפזר אור על על גבי מרקם פני השטח וכיוון.משטח של שלג, קרח, וקרקע משפיע על הכיוון, אשר חייב להיות אחראי למודלים אקלים וקרקע נמצא על פני השטח כמו חומרים דליקים אחרים של פחמן (DF) כמו תכונות אחרות של חומרים ממולקולות אחרות, כמו מכניות של שמן, כמו: תכונות אחרות של ברזל (DNRC) כמו תכונות אחרות של שמן, כמו אלגוריתמיות על פני השטח של מינרלים אחרים, כמו אלגוריתמים של מינרלים אחרים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אטומים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של מינרלים אחרים של מינרלים אחרים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו מוטציות כגון: אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של שמן, כמו אלגוריתמים של מינרלים אחרים של שמן, כמו אלגוריתמים של

אבחון רפואי ו- Biomedical Optics

באופטיקה ביו-רפואית, החוספס של רקמות ביולוגיות מספק מידע אבחון.לדוגמה, פני השטח האפיתאלי של תצוגות צוואר הרחם גדלות בתנאים קשים. coherence coherence tomography (OCT) יכול לזהות שינויים בפיזור כי מתאם עם וריאציות גסות ברקמות.

ייצור ובקרת איכות פני השטח

בייצור Semiconductor, משטח משטח משטח גסות ישירות משפיע על היתשואה.כפי שגדלים תכונה מתכווץ מתחת 10 nm, אפילו גסות בקנה מידה אטומי יכול לגרום לחוספס קו קצה ולהתפזר בשכבות. כלים בדיקה אופטית משתמשים בפיזור המפופס כדי למדוד במהירות את הספגות על פני כל הירכיים ללא מגע.

כיוונים עתידיים והתקדמות

המחקר ממשיך לדחוף את הגבולות של המדידה והמודלים.התקדמות באלקטרומגנטים חישוביים, כולל למידת מכונה עבור מודלים פונדקאים מהירים, לאפשר חיזוי בזמן אמת של פיזור מטופוגרפיה נמדדת.הפיתוח של אופטיקה חופשית מציג אתגרים חדשים, כמו גסות על פני השטח שאינם מתוכננים דורש פיזור תאוריות וקטורת.

אזור פעיל נוסף הוא המחקר של השפלה גסות המושרה במערכות הדמיה קוהרנטיות, כגון הולוגוגרפיה ואופטיקה אדפטיבית. Scattering מפני משטחים גסים מייצרת speckle, אשר מגבילה את ההחלטה. גישות חישוביות חדשות, כגון למידה עמוקה המבוססת על ספירה מבוססת למידה, מתעוררים.בתחום של אולטרה סגולה קיצונית (EU) לימוזינה, שבו גלים הם 13.5m ממולקולות מתחת לראי, 000 ממושכות, 000 ממושכות את ההשפעות של Rtramated.

מסקנה

גסות פני השטח מפעילה השפעה בסיסית על פיזור האור בכל הענפים של אופטיקה פיזית.מבסיסים תיאורטיים של ריילי-ריס תאוריה למניעה מעשית של ייצור אולטרה-חשיבות, בין הממשק בין מרקם פני השטח לבין ביצועים אופטיים הוא שדה רב תחומי. מהנדסים ומדענים חייבים לשקול בזהירות גסות, קורלציה, גל, תכונות חומר כאשר מערכות אופטיות וטכניקות מתקדמות כדי לשלוט על מנת להמשיך את יכולת חישובית שלנו.

[אם המטרה היא להשיג מראות כמעט מושלם עבור גילוי גל הכבידה או מהנדס diffusers עבור תאורה אחידה, הבנה עמוקה של גסות פני השטח ופיזור אור הוא הכרחי. as טכנולוגיות אופטיות להתפתח לעבר סובלנות קטנה יותר ויותר וגאומטריה חדשנית, החשיבות של התחום הזה רק גדל.